автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.21, диссертация на тему:Разработка и исследование малошумящих источников колебаний СВЧ -диапазона, стабилизированных диэлектрическими резонансными системами

ч

На правах рукописи "ДСП"

ЭКЗ.Л551

, г »

О

СОКОЛОВ ИГОРЬ АЛЕКСЕЕВИЧ

Разработка и исследование малошумящих источников колебаний СВЧ -диапазона, стабилизированных диэлектрическими резонансными системами

Специальность 05.12.21 "Радиотехнические системы специального назначения, включая технику СВЧ и технологию их производства"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996г.

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте микроприборов и в Научно-производственном центре "КОМРАД" НПО "ЭЛАС"

Официальные оппоненты:

ЕГОРОВ ЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧ - доктор технических наук,

профессор, нач. отделения НИИ микроприборов

ГОЛУБСКИЙ АЛЕКСАНДР АЛЕКСЕЕВИЧ - кандидат технических наук,

нач. лаборатории О А.О. "ЭЛПА"

Ведущая организация: НИИ "Пульсар", г. Москва

Защита диссертации состоится "_"_199 г.

в _ часов на заседании диссертационного совета Д 142.06.02 НИИ

микроприборов НПО "ЭЛАС" : г. Москва, 103460

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИ мнкроприборов

Автореферат разослан "_"_199 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

дальность__темы.Тенденция повышения качества СВЧ-аппаратуры. отмег-:

;на тем,что к важнейшим характеристикам устройств Нормирования* час-этн в. последнее- время" стали относить показатель уровня ИазовогоГщу— 1 и: требование к его снижению перенесено с измерительной » эталстг-эй техники на аппаратуру специального назначения,а также на масса -по аппаратуру »например, гражданскую связную.Обзор по материалам за -гбежной и отечественной литературы показывает,что современные тре;-звания,предъявляемые заказчиками военных и коммерческих радиотехни-;ских систем (РТС) к устройствам Нормирования частоты, следующие : спектральная плотность мощности базовых Илуктуаиий (Пазовых щумов) 5if(p) должна быть не более -80... -175 дБ/Tu в диапазоне частот от -троек К=1Гд.. .1МГц от несущей частоты f0 ;

относительная нестабильность частоты за интервалы времени усредне:-гя X =1икс...1час должна быть не хуже 10?..10.

:ё более жёсткие требования к временным и спектральным характеристики Нормируемых колебаний удается удовлетворить применением в^приеш— федащей аппаратуре высокодобротных диэлектрических резонансных 1стем (ВДРС) для стабилизации частоты СВЧ-колебаний.

Наиболее высокие требования к уровню собственных Пазовых щумовг: нестабильности частоты Нормируемых колебаний предъявляются в~ лока— онных РТС.Например,в системах селекции движущихся целей,использую-х периодические импульсные зондирующие сигналы,из-за ухода частота теродина за период повторения импульсов Те появляется паразитный* бег Иаан в дМ* радиан,что может привести к появлению на выходе-кож-нсатора остаточного Нона от неподвижной пели.

Необходимо отметить,что (Тазовый щум S^(F) на частотах отстрой:-.1000Гц от несущей частоты индуцирует кратковременную: не— абильность частоты(Назы) ) за времена усреднения X

< I...10мс( математически данное положение представляется парой . ье-преобразований, связывающих между собой дисперсию Илуктуапий На—

зы ) и спектральную плотность мощности базовых Флуктуаций Г:

Известно,что для улучшения отношения сигнал/помеха в самолётных импульсно-доплеровских РЛС необходима узкополосная Фильтрация.Чем ухе полоса пропускания Фильтра,тем большее отношение сигнал/помеха мохно получить,однако на возможное сужение спектра сигнала накладывают огра' ничение Фазовые щумы задающего генератора и передающего тракта в ие -лом.

Б системах связи проблема снижения уровня Фазовых шумов задающих генераторов,гетеродинов и синтезаторов частот представляется также ак■ туальной.Допустимые уровни Фазовых щумов синтезаторов частот современных спутниковых систем связи приведены на Рис.1.

Таким образом,по мере освоения СВЧ-диапазона возникает необходи -мость создания источников колебаний с минимально низким уровнем соб -ственных Фазовых шумов.

Сказанное выше показывает актуальность темы диссертационной работы,позволяет сформулировать её цель и основные направления исследований.

Ц§2£Е_диссе£ташта является разработка и исследование малощумящих источников колебаний СВЧ (ИК-СВЧ) .стабилизированных ВДРС.Наиболее интересными, с точки зрения реализации наивысшей собственной добротности,пред • ставляются экранированные диэлектрические резонаторы (ДР) .имеющие Форму тел вращения :шара,с<Ьеры(полого шара) .цилиндра,трубыСполого цилиндра) .диска,тора,полого тора.Среди большого числа типов ДР,применяемых в технике СВЧ,в диссертационной работе ВДРС определена как высокодобротная колебательная система СВЧ на основе явления электромагнитного

резонанса,работающая на низших и высших типах колебаний и состоящая и* ДР(тело вращения,выполненное из высококачественного диэлектрика) металлического корпуса(экрана);элементов крепления ДР в экране;элемен-тов связи с ДР ¡элементов подстройки частоты ВДРС.

На^чная_новизна_работа заключается в следующем: юказано,что известные решения задачи о свободных колебаниях откры -та диэлектрических резонаторов имеют удовлетворительную точность при >начениях диэлектрической проницаемости 40,при решения не -'стойчивы и не существуют при £ =1}

в результате применения подхода, соответствующего задаче рассея -ия электромагнитных волн,получены волновые функции,описывающие <*ак-ически наблюдаемые поля диэлектрических тел вращения(шара и диска) о всём пространстве с зависящим от координат волновым числом й. (Г ,8 ,

выдвинута концепция "ДР как мультипольная антенна",позволяющая изически наглядно исследовать картины электромагнитных полей низ -их и высших типов колебаний шара и диска;

сформулированы два определения добротностк-пространственное и ременное.Полезность такого разделения представляется понятной и стественной.поскольку позволяет вычислить и исследовать важнейшие ипедансные и резонансные характеристики Д5:резонансные частоты мод элебаний и радиационную добротность в зависимости от размеров ДР, ^электрической проницаемости £ материала ДР,азимутального индекса элебаний т ;

разработаны инженерные методики расчёта оптимальных(с точки зре-1я реализации наивысшей добротности)геометрических размеров рассма-эиваемых в диссертационной работе ВДУС;

теоретически к практически исследованы основные технические ха -1ктеристики ВДРС,обладающих на сегодняшний день рекордно высокими тчениями добротности в см-диапазоне длин волн при рабочей темпера-фе резонатора ЗООК;

- впервые достаточно подробно теоретически и экспериментально иссле дованы фазовые щумы генераторов (ГДЦН на дисковых диэлектрических { зонаторах (ДВр) и генераторов на ДР (ГДР)¿выведены аппроксимаиионныЕ зависимости ¿^(р) ГДЦР;по результатам экспериментальных исследовав

ГДЦР вычислены значения нагруженной добротности резонансной системы "ДЦР в экране".

- вопросы применения ИК-СВЧ,стабилизированных ВДРС,в РТС и различнь СВЧ-устройствах;

- результаты вычислений и теоретических исследований резонансных хе рактеристик диэлектрического шара (ДЩ) и ДИР на низших и высших модах колебаний(резонансные частоты мод колебаний и радиационная доб -ротность в- зависимости от размеров ДР, £ материала ДР, ГП. -азимуталь ного индекса колебаний);

- инженерная методика расчёта геометрии резонансной системы "ДПР в экране";

- инженерная методика расчёта геометрии высокодобротного акраниро -ванного составного ЦР ОВД3) .сконструированного на основе лейкосал^и ровых вставок;

- конструкция ВЦРС "ДЦР в экране",защищенная авторским свидетель -ством [I] ;

- конструкция ЭВДР,защищённая авторским свидетельством [2^ ;

- волноводная конструкция генератора на диоде Ганна (ГДГ)»стабилизированного резонансной системой "ДЦР в ЭКРАНЕ";

- методы и результаты экспериментальных и теоретических исследований спектральных характеристик Г ДЦР и ГДР,результаты расчёта *азо -вых щумов Р) и нагруженной добротности йн резонатора "ДЦР в экране";

- вопросы современного состояния разработок ГДР построенных по гибридной тонкоплёночной технологии в см- и мм- диапазонах длин волн;

- вопросы разработки перспективных малощумяших ИК-СВЧ на основе ВДРС.

Практическая_иенность диссертационной работы состоит в том,что на основе предложенных в ней методик можно осуществлять расчёт резонансных частот и радиационной добротности( в зависимости от разме-. ров и £ материала ДР и Ш -азимутального индекса рабочей моды колебаний )для открытых ДП и ДДР.На основе разработанных инженерных методик достаточно быстро и точно рассчитывается геометрия экранированных диэлектрических резонансных систем с целью реализации вы-

5

сокой нагруженной добротности:(4...Ь)-10 в диапазоне частот

8...12ГТц в ВДРС типа "ДДР в экране" при температуре лейкосалФиро-0 5

вого ДДР 300 К;~10 на частоте,5ГГц в конструкции ЭВДР.представ -ляющей собой составной резонатор ил лейкосалФировых вставок в экране.Приняв за основу конструкцию ГДГ,стабилизированного ВДРС типа "ДДР в экране",возможно сконструировать СВЧ-генераторы,обладающие предельно низкими собственными щумами: -125дБ/Гц и

$^Ш0кГц)сг -157дБ/Гц на рабочей частоте <^9,бГГц.Рассчитанные (Тазо -вые щумы транзисторного автогенератора с ЭВДР на частоте ~ 1,5ГГц составляют: — -130дБ/Гц и Зч»(50кГц)~ -155дБ/Гц.По предложен-

ным в работе методикам достаточно просто оцениваются значения натру -женной добротности ВДРС и аппроксимаиионные зависимости ге -

нераторов на ДР по результатам экспериментальных исследований фазовых щумов генераторов в нескольких точках.

Реализаиия_2езхльтатов_работы.Основные результаты и вывода диссертационной работы внедрены на научно-производственном объединении "ЭЛАС" при разработке радиопередающих устройств локационных и связных систем,а также использованы при разработке метрологического комплекса измерителей спектральных характеристик задающих генераторов и при проведении НИР и ОКР по тематикам научно-производственных предприятий НПО"ЭЛАС",что подтверждается соответствующими актами.При

- в -

этом удалось реализовать ИК-СВЧ,обладающие уровнем собственных базовых шумов в среднем на 20дБ ниже,чем у СВЧ-колебаний»сформированных традиционным способом умножения частоты кварцевого генератора,что позволяет разрабатывать сложные РТС СВЧ-диапазона с необходимым производственным запасом.Применение ВДРС в метрологическом комплексе измерителей спектральных характеристик повысило спектральную чув -ствительность аппаратуры на 20...30дБ.

Публикации. Основные положения диссертационной работы доклады -вались на научно-технических конференциях [3,4] .По теме диссерта -ции опубликовано 4 печатных работы [5-В] , 2 отчёта по НИР [9,ю] и получено 2 авторских свидетельства [1,2^ .

Объём_работы. Диссертационная работа изложена на 165 страницах машинописного текста и состоит из:Введения,3-х Глав.Заключения и 4-х Приложений (включая II Таблиц) ¿включает 46 рисунков и список основной литературы из 118 наименований отечественных и зарубежных авторов на 15 страницах.

СС^МШЕ__даССЕРТАЩ

Во Введении показана актуальность применения ВДРС для построения малощумящих ИК-СВЧ,что способствует созданию современных РТС с необходимым производственным запасом по фазовым щумам КС^ормули -рованы цель и научная новизна диссертационной работы¡приведены ос -новные положения,выносимые на эащиту;показаны практическая ценность

и реализация результатов работы.

В Главе1 проанализированы теоретические и практические результаты,подученные разными авторами в облвсти ДР.Известным решениям задачи о свободных колебаниях открытых ДР присущи следующие недос -татки:

- в задаче о свободных колебаниях ДИ решение неустойчиво при

и не существует при £ =1;

- в известных решениях присутствуют резонансные моды колебаний ДП, которые отбрасываются как "ненаблюдаемые";

затухание полей во времени( обусловленное мнимой добавкой к частоте) трактуется как результат излучения,при этом поля убывают с рассто -янием экспоненциально,однако,сколь угодно малое пространственное экспоненциальное затухание исключает излучение.Это противоречие -следствие некорректности общего подхода к решению задачи о свобод -ных колебаниях открытого да.

В Главе! исследован иной подход к решению задачи о резонансах диэлектрических тел вращения,сводящийся к поиску собственных (Тунк -иий уравнения Гельмгольиа для электромагнитного потенциала П (век-гор Гериа) во всём пространстве с зависящим от координат волновым ■шелом к (Г ,0 ,Ч).В рамках поставленной математически корректно 5адачи подучена Физически непротиворечивая электродинамическая картина ДП,намечен корректный подход к описанию явления электромагнит-юго резонанса в открытых ДР,имеющих гТ-орму тел вращения.

Изучены электромагнитные поля низших мод колебаний ДН.Определе-!ы резонансные частоты и добротность ДО из различных материалов.Преложены инженерные Формулы для определения резонансных частот мод ом и Еон :

нус ДП, С -скорость света в свободном пространстве.

Изучены электромагнитные поля высших мод азимутальных колебаний исследованы резонансные и импедансные характеристики ДШ.Важно от-;тить,что как внутри,так и вне диэлектрической с^еры поля зависят

Грез * 1? R ' Jp« R (П

АЙУ^зз^Гй, (2)

(i)

ne: itpgj-резснансная длина волны в свободном пространстве, R -ра -

от радиуса как функции Бесселя,т.е.при |"-«-ооубывают пропорционально 1/Г ,что означает наличие излучения вследствие выполнения условия ЗоммерФельда.Подводимая к резонатору анергия частично поглощается в диэлектрике.частично излучается."Захвата энергии'Чотсутствия излучения на бесконечности) как такового нет,но имеет место увеличение плотности энергии вблизи резонатора при возрастании азимутального ин декса колебаний Щ.

В Главе1 выдвинута концепция "ДР как мультипольная антенна",позволяющая реально и Физически наглядно проанализировать картины полей ТН и ТЕ типов колебаний в ближней зоне ДО,Формирующей радиационную добротность Аиза »и зоне излучения энергии,определяющей радиационные потери резонатора.Два определения добротности-пространственное и вре менное-нухдаются в дальнейшей разработке и в рамках настоящей диссер таиионной работы на полноту не претендуют.Однако полезность такого разделения представляется понятной и естественной.поскольку позволяет достаточно точно рассчитывать важнейшие характеристик! ДР:резо -нансные частоты мод колебаний Ере} = к*Я .добротность Оизл в зависимости от радиуса шара й , 6 материала ДР, -азимутального номера рабочей моды колебаний.

Рис.2 иллюстрирует зависимость добротности неэкранированного Д11 от диэлектрической проницаемости £ для различных мод колебаний.Обращает на себя внимание пересечение мод ТЕ и ТН при £~ 5.Общий ход

добротностей существенно зависит от азимутального индекса пг и пре -

3/2 5/2

вышает закон пропорциональности с для Ш =0 и £ для ГП_> 0,даваемый

в известных работах.Пунктиром приведены зависимости добротности для ТЕ - и ТМ - мод при Ш. =0.взятые из известных работ.Видно,что известный метод занижает добротности,но при разница стремится к 0. Собственная добротность (Но ДШ,определяемая при малости угла диэлек -трических потерьв основном радиационными потерями йимг .пропор-

циональна отношению накапливаемой реактивной энергии к энергии излучения и оказывается пропорциональной азимутальному номеру моды ГП (Рис.3'

Глава2 диссертационной работы посвящена разработке и исследованию СВЧ-генератора,стабилизированного внешним ДЦР.Используя результаты анализа азимутальных колебаний полых сферических и дисковых ре-зонаторов(Приложения 2 и 3 диссертационной работы).получено уравнение Гельмгольиа для ДЦР в криволинейной системе ортогональных коор -динат с последующим переходом к цилиндрической системе

координат (Ч'.Г, 2) для угловой компоненты волнового вектора А у. Для ДЦР (Рис.4) получена система уравнений:

6 I А

(3)

имеющая во внутренней и внешней областях решения:

Я=Зт(М 1

■у sin f-cosms'- цля внутренней (4)

L ~ С i' cos I области

h=[k*E - зе2]

fi=Jftt(fi-r) ]

7 = Г V-COStTlY- для внешней (5)

Ь J области (£ = í)

к=[кг+д'г],/2, Ci= const гДе 3m и Кщ.-Функции Бесселя и Макдональда щ -го порядка,соот -ветственно.При этом волновые числа связаны между собой очевидным соотношением:

= (£-i), , (6)

где: эе -продольное волновое число (в направлении 2 ) в диэлектрике, X -продольное волновое число в свободном пространстве; К -поперечное волновое число(в направлении Г ) в диэлектрике.

Распределение электромагнитного поля в направлении оси 2 ДЦР имеет такой же характер,как у поверхностных волн плоскопараллельно! диэлектрической пластины при малых значениях толщи-

ны CL ."Псевдозахват энергии" легче осуществляется для чётных волн а для нечётных волн "захват" реализуется только при условии

Jj». л Ор

диссертационной работе для чётных волн получено упрощённое характеристическое уравнение:

R = cJ/2-радиус ДЦР, справедливое при выполнении условий: CL«2R./tTlt £» 3 .Приближённое выражение для резонансной длины волны в свободном пространстве имеет вид:

lo-Ж-И/т- , (в)

показывающее,что размеры ДЦР в основном не зависят от £ :от £ зависит только скорость спада полей снаружи диска.

С целью выяснения оптимальных размеров металлического экрана был проанализирован процесс излучения(высвечивания) энергии из ДЦР для чего диск представлялся свёрнутым в кольцо цилиндром с диаметра цилиндра В (Рис.5).Минимальное расстояние от экрана до диска выби рается из условия:

ß £ • 1о

min > 27l (£-i) 1/2 ^

Так,например,для лейкосап^ира ( £-10) получаем 'В/,Д0?ьО,5 ,т.е. i расстоянии ^Лр/2 от лейкосап^ирового ДЦР целесообразно размещат металлический экран,который будет вносить незначительное возмущена

Реальные размеры экрана выбираются из условий:

+ Ы (КП

При условии малости "Ьс^З и высоких радиационных потерь доброт ность ДЦР можно оценить по приближённой Формуле:

Эллр - 9Г',П , (12)

откуда следует,что добротность растёт пропорционально азимутальное индексу ГП .Оптимальный диаметр диска выбирается из условия:

п , 0,445-т • Ло

е

В Главе 2 предложена конструкция ВДРС типа "ДЦР в экране"(Рис.6), работающая на высших типах мод гибридаых азимутальных колебаний.Указаны основные отличительные особенности от известных конструкций,

приведены технические характеристики ГДГ см-диапазона,стабилизированного ДЦР из лейкосап^ира при температуре резонатора 300°К

и 77вК.ВДРС,защищённая авторским свидетельством [1] .имеет нагружен-

'5

ную добротность (4...В)-10 в диапазоне частот В...12 ГГц при тем -о

пературе ДЦР 300 К, а ГДГ»стабилизированный подобной ВДРС,обладает предельно низкими базовыми щумами ) [?] : 5^(1кГц) £г-125дБ/Гц

¿^(ЮОкГц) £ -157дБ/Гц.Основная отличительная особенность рассматри^ ваемой ВДРС состоит в том,что металлический экран,помимо"механичес -ких"(*ункиий крепления ДЦР и элементов резонатора и защиты их от воздействия окружающей среды,выполняет "электрическую" функцию резонанс ного отражателя,за счёт чего отмечено 30...50% увеличение Фактора

добротности по сравнению с известными конструкциями.С этой же целью в конструкции ВДРС применены металлические торцевые отражатели.

Для практического конструирования ВДРС "ДЩ3 в экране" можно дать следующие рекомендации:

- оптимальные индексы рабочих мод колебаний fn. для достижения мак-

0

симальных добротностей при Тк =300 К следующие: mopt~Ю.. .14;

- частоты высших азимутальных мод отстоят друг от другд на величину ~ (3-fri)"1 %■

- практические добротности для известных материалов определяются точностью выполнения диска и однородностью материала и при = = const незначительно зависят от материала резонатора;

- для лейкосапФирового ДЦР зависимость Q0( ГП. QM3A (JTI) имеет макси-ысумы,положение которых зависит от температуры'.оптимальный индекс /п возрастает по эмпирическому закону ftiT = jnK ^ ^"^к»где tnK=I0 - оптимальный индекс при комнатной температуре Тк =300^К;

- для лейкосапФирового ДЦР с целью точной подгонки частоты резонансной моды колебаний J-0 на номинальное значение в см -диапазоне длин волн при оптимальных Форматах резонатора D/H =6...В существует возможность сошлиФовки,составляющая: "3£/ЭД) =Ю0МГи/мм;

- установку требуемого номинала резонансной частоты можно осущест -вить следующими основными способами:с точностью 4...- выбором значения индекса Ш. ; с точностью 0,5...3$ - выбором размеров D и Н , в том числе двумя ДЦР с зазором,регулирующим Нрас= Hi +Нг i Hl и Нг высота первого и второго ДДР); с точностью 5-10 ...5*10 - экранными метал лическими винтами.

В Главе 2 экспериментально и теоретически исследованы спектральные характеристики и Фазовые шумы генераторов на основе ДЦР.В таблице 2 Приложения 4 диссертационной работы приведены результаты экспериментальных измерений Фазовых шумов S^F) ГДДР и их аппроксимаиионные

характеристики,вычисляемые с достаточной для практических применений точностью по Формулам [7] : [1 + 7'10*' К +

сг г"2 7 т4 С2 г"2'*71-Для ГД11? ПРИ температуре ДЦР 300°К . (14) ;

Р * 5. [1 «7- «Л ?Ра2, Р"2 ♦ Т' й*. -Г"5'"'] -

для ГДПР при температуре 77°К, (15)

где: ¿о — -160дБ/Г'ц - спектральная плотность белого базового щума

ГДЦР( активный элемент-ДГ); Рш(Га?)=—т ' {„ -рабочая час-

6 „ 2II»! (Инг) "'г тота ГДПР; ЦН1=(2.. .&)• 10 и Цн^'Ю* - нагруженная добротность

о

резонансной системы"ДЦРв экране" при рабочих температурах ДЦР 77 К

о

и 300 К,соответственно.Полученные аппроксимаиионные выражения для

( р*) удовлетворительно согласуются с экспериментальными результатами и позволяют прогнозировать значения фазовых щумов на тех частотах отстроек от несущей частоты ,на которых не удаётся измерить Бч(^) из-за ограниченной чувствительности измерительной ал -паратуры.

Б таблице 3 Приложения 4 диссертационной работы представлены результаты вычислений нагруженной добротности ВДрС "ДЦР в экране" по результатам экспериментальных измерений (К ) ГДДР [?] .

В Главе 3 диссертационной работы рассмотрены многослойные ДР с основным типом Колебаний ТЕ он (Рис.7).Отражательные диэлектрические слои значительно увеличивают добротность экранированных ДР.Введение в центральную область диэлектрического полого шара(а*еры) шара с большой диэлектрической проницаемостью не увеличивает добротность полого резонатора до тех пор,пока размеры внутри шара не обеспечат резонанс.Кроме того,добротность не увеличивается и с ростом азимутального индекса Щ ,что свидетельствует о том,что отражательный режим оптимален только для низших мод ТЕ и ТМ с Ш=0.

Отражательные диэлектрические вставки(диэлектрические слои) должны иметь такую толщину,чтобы реализовать синфазное отражение волн от границ слоя диэлектрика.В случае плоского характера волн для этого необходимо выполнение условия:

гкп е1/гс1о 5<гг и т.д., (1б)

где п-величина нормальной(к диэлектрическому слою)составляющей волнового вектора в свободном пространстве; (¡0 -толщина слоя.В случае оТ'еры вследствие неплоского характера волн максимальная отражатель -нал способность шарового слоя наблюдается при толщинах приближённо равных ~ Л/2, Ао-длина волны в свободном пространстве.

Дальнейшее увеличение добротности многослойных ДР возможно пу -тём возвращения части излучаемой энергии,что достигается размещением ДР в резонаторе-экране.Задача о резонансных свойствах объёмного резонатора с частичным заполнением диэлектриком решается следующим образом :ищутся поля диэлектрической многослойной структуры,затем находят точку ,в которой удовлетворяются граничные условия на металлической стенке экрана, т. е. «На Рис.8 показано распределение полей при достижении максимальной добротности резонатора в эк -ране с концентратором и отражателем.Основная энергия сосредоточена в промежутке между концентратором и отражателем.При максимальной добротности потери в диэлектрике и в металлической стенке примерно равны.

Таким образом,в экранированных многослойных диэлектрических структурах возможно достижение высоких значений собственных добротностей. Если важен размер резонатора,необходимо применять объёмные резонато -ры с преимущественным заполнением центральной области резонатора(применён концентратор).Если важным параметром служит добротность,то резонатор конструируют на основе резонансного отражателя,позволяющего сни-

зить потери как в металле,тан и в диэлектрике.

В Главе 3 рассматривается конструкция ЭВДР [2] .представляющая

собой составной резонатор из лейкосапФировых вставок в экране (Рис.9).

5

и позволяющая реализовать высокую собственную добротность ~ 10 на частоте резонанса ~1,5Г'Гц при относительно малых размерах резонанс-, ной системы.Обсуждены электродинамическая модель,Физические принципы действия и конструктивные особенности резонансной системы.Приведена упрощённая методика для быстрого расчёта геометрических размеров резонатора .Резонатор,рассчитанный на диапазон частот I.. ЛОГГц,может найти широкое применение в стандартах частоты и времени,а также в различных СВЧ-устройствах.Так.например,рассчитанные Фазовые щумы транзисторного автогенератора на основе рассматриваемого ЭВДР на частоте ~ 1,5ГГц составляют: б^ЛиГц) гг-130дБ/Гц и 5у(50кГц)гг -155дБ/Гц,чТ0"" сравнимо с уровнем собственных Фазовых щумов лучших зарубежных СВЧ-синтезаторов частоты.

В Главе 3 проведён подробный анализ состояния разработок СВЧ-ав-тогенераторов с применением миниатюрных диэлектрических резонаторов "таблеточного" типа(таблица 7 Приложения 4),а .также рассмотрены пер** спективные разработки малощумящих ИК-СВЧ на основе ДР(таблица11 Приложения 4).Представлен достаточно полный за последние 10...12 лет обзор зарубежных и отечественных ГДР на основе миниатюрных ДР.В диапазоне частот 1,..300ГГц с такими ДР на сегодняшний день не может конкурировать ни один из существующих типов СВЧ-резонансных систем-.частотная стабильность,определяемая ТКЧ материала ДР .составляет± 5МГц на часто-

-6 Л

те ~ 12ГГц(ТКЧ современных материалов не хуже 5*10 / С,с повышением рабочей частоты ТКЧ ухудшается);типичный Фазовый щум диодного или транзисторного ГДР составляет 5^(10кГ'ц)г-100дВ/Гц на рабочей частоте ~6ГГц.

- I ь -

С целью оценки уровня Пазовых щумов и диапазона электронной пе рестройки частоты были исследованы два макета транзисторных ГДР на о нове миниатюрных ДР таблеточного типа с добротностью ~ 500.. Л000 , разработанных по известным методикам.Первый генератор ГДР1 с относи тельно широкой полосой электронной перестройки до 3,5% от номинально частоты /~1,6ГГи имел высокие фазовые щумы.Наибольший диапазон пере

стройки частоты д|»60МГц наблюдался при изменении напряжения на упра ляющих варикапах ЦупрЮ.. Л5В.Крутизна электронной перестройки часто ты составила 1,5.. .4,5МГц/В.Уровень собственных Пазовых шумов ГДР1, измеренный на отечественной установке ИФ 5901,составил: 5^(1кГц)=: ~-75дБ/Тц; 5^(ЮкГц)=г -95д]Б/Гц.

Второй генератор ГДР2 с полосой перестройки частоты до 0,755 от номинальной частоты ~ 1,6ГГц показал хорошие шумовые характеристики:

(ЮОГц)гг -50др/ГцБ^С 1кГд) гг -81дБ/Гц; 5«,(ЮкГц)=г-П0дБ/Гц;

5</25кГц)=г-120дБ/Гц.Диапаэон электронной перестройки частоты соста вил д£.=ПМГц при изменении управляющего напряжения от 0 до 10В( крутизна перестройки - 0,3..ЛМГц/В).

ГДР1 и ГДР2 представляют интерес для синхронизации петлёй ФАПЧ по частоте опорного кварцевого генератора с целью улучшения Пазовых щумов вблизи несущей частоты.

Среди перспективных разработок малощумящих ИК-СВЧ следует отме

тить ГДЦР(300°К) с синхронизацией с помощью петли ФАПЧ.где управлени

частотой осуществляется регулированием температуры ДЦР.На частоте

*выГ7ГГц получены следующие характеристики : 5«(1кГц)~-П2дЕ

-8 -9

долговременная нестабильность частоты ^ 10 за 2,Вс и 4 10 за 28с.

Весьма перспективным представляется синтез ИК-СВЧ на основе ВДРС и стандартов частоты и времени .Положительный результат испытаний на устойчивость в условиях воздействия вибрации,а также имеющийся опыт конструирования СВЧ-устройств позволяют уверенно заявить о воз можности применения таких источников в бортовых и наземных РТС.

ССНОВНЫЕ__РЕ^ЛЬТАТЫ__РАБОТЫ

Главный итог диссертационной работы состоит в разработке и теоретическом и экспериментальном исследовании ВДРС,обладающих высокими зна -пениями добротности в СВЧ-диапазоне при температуре резонансной системы 300° К [3,4,б,б] .Генераторы,стабилизированные подобного рода ВДРС, лмеют отличные спектральные и щумовые характеристики [5,7,ю] . Основные полученные результаты состоят в следующем:

- проанализированы известные решения задачи о свободных колебаниях открытых диэлектрических тел вращения¡известные решения дают удов -летворительную точность при значениях диэлектрической проницаемости

8^40;

- показано,что выбором оптимальной геометрии металлического экрана можно добиться повышения добротности В,2РС по сравнению с добротностью открытого ДР;

- проанализированы картины электромагнитных полей высших и низших типов колебаний открытых ДШ и ДПР,а также вычислены значения резо -нансных частот и радиационной добротности в зависимости от характерных размеров ДР, £ материала ДР, т. -азимутального индекса моды колебаний ;

- разработаны инженерные методики расчёта оптимальной геометрии резонансной системы "ДЦР в экране" и ЭВДР на основе лейкосапФировых вставок;

- теоретически и экспериментально исследованы щумовые и спектраль -ные характеристики ГДЦР и ГДР,выведены аппроксимаиионные зависимости распределения собственных Фазовых щумов ГДЦР.экспериментально оценены значения добротности резонансной системы "ДПР в экране".

Дальнейшее конструирование малощумящих и высокостабильных ИК-СВЧ с применением ВДРС необходимо осуществлять,решая две основные задачи: повышение температурной и долговременной стабильности частоты и снижение уровня собственных базовых шумов.Для решения первой задачи необходимо применять материалы с малыми значениями ТКЧ.термостатиро -вать и термостабилизировать конструкции резонаторов,синхронизировать ИК-СВЧ по частоте опорного высокостабильного генератора, синтезировать ИК-СВЧ на основе ВДРС и стандартов частоты .С целью снижения уровня базовых шумов необходимо исследовать перспективные ВДРС:многослойные ДР.цилиндрические ДР,тороидальные ДР.

s* (F), дБ/Гц

-40 -60 -го -<оо -<20 -м

\ N. . "S

\ 1

А V }

ч <

Рас.1. Допустимые уроВни ¡раза- Рис.2. Зависимость довротности ие-

Вых шумоЪ для передачи сиг- экранирование го ДШ от диэлектри-

налоВ телевидения (i), много- ческой проницаемости £ для ТЕ-*

канальной телефонии (2), ера- и ТМ-• мод,—изВестные резуль-

зобой телеграфии (5) таты

z=-a/2

г=-а/

1 У.

Л__>

x—xh. У-

5 10 15

Рис.3. Зависимость Аовротнос-ти неэкранироВанного ALU от номера азимутального индекса m для различных значении е материала ДШ :

моды ТЕ - * } моды ТМ- •

РисА. ДискоБый диэлектрический резонатор

ZR

Рис.5. ПредстаЕлание ДАР £ Виде сВернутого £ кольцо цилиндра : В-диаметр цилиндра, 2-я-диаметр диска

R+Wr оо pjWi Wi

Wi R+Wf

/'

SH Ш •/

Ау 7 i'

Рис. Б. СВЧ- резонансная система "АД Р В экране' Ш: i-AA> 2-опорный стержень; з- цилиндрический экран; 4,5-металлические отражатели} В-элемент сВязи

Рис.7. Многослойная диэлектрическая структура

г

с шах

о. 1 .1 ° 1 -г « 1 / ? / 51 / 2! / \ 9 \ 1 || 53 || 1 «Ч 1/ I

\ «Л!» ' \! Г 1 1 1

Л N ч 1___1> 1 ^ 1 - г - ' Ьг

5СГ

Рис. 8. Поля Ц-Х слайной структуры

Рис.9. Конструкция составного ЗВДР I- металлический экран, г-лейшсапа робая трубка,з- леиноЫпсрироЬая крю яа, 4- леишамрироВае кольцо. 5-дерстае сВязи

Основные результаты и выводы диссертации опубликованы в следующих работах:

1.1679927 СССР. МКИ М01Р7/Ю. СВЧ-резонатор /И.А.Соколов. ПВ-Волков, ВЛЗ.Матаеео. • Опубл. 1991. Бюл.№ 35.

2.Заявка №4902234/25 СССР. МКИ5 Н0151/06 . Н01Р7/Ю. СВЧ резонатор /ИЛ.Соколоо • Приоритет от 14.01.1991г.. положительное решение от 22.11.1991г.

3. Волков П.В.; Мата««» П.В.. Соколов И.А. Исследование' нагруженной

• добротности в высокостабильныл СВЧ - генераторах /Тез. доклад, конфереппин "Проектирование и изготовление МЭА: проблемы И перспектипы "// Электронная техника. Сер. 10. Микроалектронные устройства: 1988. - Вып.2 (271).-С.41-42.

4. Соколов И.А., Матвеев В.В. Применение дисковых диэлектрических резонаторов в генераторах сантиметрового и миллиметрового диапазонов //Спец. электроника. Сер.Ю, Микроэлёктронные устройства. - 1991. • Вып.1 (27). - С.49-50.

5. Волков П.В., Матвеев В.В., Соколов И.Л. Исследование генераторов, стабилизированных дисковыми диэлектрическими резонаторами //Электронная техника. Сер.Ю, Микроэлектронные устройства. - 1989. -Вып.4 (76). - С. 10-14.

6. Соколов И.А. Применение диэлектрических резонаторов и генераторах сантиметрового и миллиметрового диапазонов //Электронная техника. Сер.Ю, Микроэлектронные устройства. - 1990. : Вып.I (79). • С.36-39.

7. Соколов И.А. Фазовые шумы СВЧ - источников колебаний, стабилизированных диэлектрическими резонаторами // Электронная техника. Сер.Ю, Микроэлектронные устройства. • 1990. - Вып.З (fil). -С.34-38

8. Соколов И.А. Высокодобротный экранированный диэлектрический резонатор с TEqh • типом колебаний // Электронная техника. Сер.Ю, Микроэлектронные устройства. - 1992. - Вып. 1.2 (91,92). - С.31-37.

9. Научно - технический отчет по ПИР "Разработка и исследование малошумящего генератора",- Москва: НИШЮ, 1987Г, ИНВ.№73

10. Соколов И.А. Твердотельные OB' ! - источники колебаний с высокими спектральными и временными характеристиками выходных сигналов// Научно - технический отчет по НИР "Исследование достижимых характеристик и обоснованно принципов реализации твердотельных активных элементов широкодиапазонной антенной системы". - М.: НИИМП, 1996 - С.27-84., Инп. №i , ГУП "ЭЛСОВ"